IP路由器技术的现状及未来

2019-11-04 01:40:11

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供稿：网友

　　　摘要：路由器是构筑未来网络的核心设备，路由器技术也已成为融合现代通信技术、计算机技术、网络技术、微电子芯片技术、大规模集成电路技术、光电子技术及光通信技术的核心技术。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。按路由器在网络环境中的功能可将之分为核心层、分发层和访问层路由器。从体系结构上看，路由器已经经历了多代的发展。
　　
　　　　要害词：路由器　因特网　路由表
　　
　　　　当拥挤的信道使网上冲浪变得更像凿冰取鱼，当实时业务对服务质量的呼声日渐高涨，当ip与ATM之间的竞争演变为一场“信仰之战”，当电信、计算机和有线电视公司的兼并潮一浪高过一浪，越来越多的人意识到，作为信息产业发展引擎的因特网，在不断改造传统观念的同时，自身也必然会经历一场巨大的变革。IP正在迈向一个崭新的时代。
　　
　　　　在这个崭新的IP网络时代，路由器成为构筑未来网络的核心设备。路由器技术也已成为融合现代通信技术、计算机技术、网络技术、微电子芯片技术、大规模集成电路技术、光电子技术及光通信技术的核心技术。路由器已成为现代高科技技术结晶和衡量一个国家科学技术水平的重要标志。
　　
　　　　一、路由器简介
　　
　　　　传统路由器工作于OSI七层协议的第三层，其主要任务是接收来自于一个网络接口的数据包，根据其中亿含的目的地址，决定转发下一个目的地址。因此，路由器首先得在转发器由表中查找它的目的地址，若找到了目的地址，就在数据包的帧格前添加下一个MAC（Medium access Control）地址，同时IP数据包头的TTL（Time To Live）域也开始减数，并计算新的校验名。当数据包被送到输出端口时，它需要按顺序等待，以便被传送到输出链路上。
　　
　　　　路由器在工作时能够按照某种路由通信协议查找设备中的路由表。假如到某一特定节点有一条以上的路径，那么一般预先确定的路由准则是选择最优（或最经济）的传输路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能会因环境变化而变化，因此路由情况的信息也需要及时更新，所幸的是，这些信息一般是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化发问（事件触发）更新来自动完成的。
　　
　　　　网络中，每个路由器的基本功能都是按照一定的规则来动态地更新它所保持的路由表，以便保持路由信息有效。为了便于在网络间传送报文，路由器总是先按照预定的规则把较大的数据分解成适当大小的数据包，再将这些数据包分别通过相同或不同路径发送出去。当这些数据包按先后顺序达目的地后，再把分解的数据包按顺序包装成原有的报文形式。路由器的分层寻址功能是路由器的重要功能之一，该功能可以帮助具有很多节点站的网络来存储寻址信息，同时还能在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发作用。选择最合理的路由，引导通信也是路由器基本功能。多协议路由器还可以连接使用不同通信协议的网络段，成为不同通信协议网络段之间的通信连接平台。
　　
　　　　1.路由器的主要功能
　　
　　　　1）在网络间截获发送到远地网络段的网络数据报文，并转发出去。
　　
　　　　2）为不同网络之间的用户提供最佳的通信途径。
　　
　　　　3）子网隔离，抑制广播风暴。
　　
　　　　4）维护路由表，并与其它路由器交换路由信息，这是网络层数据报文转发的基础。
　　
　　　　5）实现对数据报的过滤和记帐。
　　
　　　　6）利用网际协议，可以为网络治理员提供整个网络的有关信息和工作情况，以便于对网络进行有效治理。　　7）可进行数据包格式的转换，实现不同协议、不同体系结构网络的互连能力。
　　
　　　　2.路由器的优缺点
　　
　　　　路由器的优点有：适用于大规模的网络；复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径；能更好地处理多媒体数据；安全性高；隔离不需要的通信量；节省局域网的频宽；减少主机负担、其缺点是：不支持非路由协议；安装复杂；价格高。
　　
　　　　二、路由器的工作原理
　　
　　　　当路由器收到一个网络层数据报时，路由器便要决定是直接转发给与自己相连的网络还是发往另一个路由器，或者丢弃该数据报。路由器利用网络层的源和目的地址信息来确定信息发往哪一个网络，假如源和目的网络号在同一个网络中则送到该网络的指定主机。一个信息包到达路由器后先进入队列，然后路由器依次进行如下处理：提取信息包的目的地址，查看路由表，假如到达目的地的路径不止一个，则选择一条最佳路径。另外，路由器在进行选择时还综合了互联网上网络负载、延时、数据报长度、数据报头中规定的服务类型等因素来选择出最优路径。
　　
　　　　下面以IP路由器为例说明路由选择的方法。
　　
　　　　路由器把需到达的网络的网络号保存在路由表中，当一个IP数据报被路由器接收到时，路由器先从该IP数据报中取出目的站点的IP地址，根据IP地址计算出目的站点所在网络的网络号，然后用网络号去查找路由表以决定通过哪一个接口（线路）转发该IP数据报。
　　
　　　　根据TCP/IP协议，路由器的数据包转发具体过程是：网络接口接收数据包，这一步由网络物理层处理，即把经编码调制后的数据信号还原为数据。根据网络物理接口，路由器调用相应的链路层功能模块，以解释处理此数据包的链路协议报头。这一步处理比较简单，主要是对完整性的验证，如CRC校验、帧长度检查。在链路导层完成对数据帧的完整性验证后，路由器开始处理此数据帧的IP层。这一过程是路由器功能的核心。根据数据帧IP包头的目的的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址，IP数据包头的TTL域开始减数，并计算新校验和（Check-sum）。根据路由表中所查到的下一跳IP地址，将IP数据包送往相应的输出链路层，封装上相应的链路层包头，最后经输出网络物理接口发送出去。
　　
　　　　中低档路由器的体系结构。多个交换端口通过数据总线与共享内存、CPU相连。共享内存完成交换数据的存储转发功能，其中包缓冲用于存储最近发送到达的数据，而系统缓冲用于存储没有及时交换的数据包。CPU为交换数据包选择路径，具体选路的依据是路由表和快速缓存。快速缓存是路由表中使用频率很高的路由条目。
　　
　　　　数据在由某个交换端口向目的端发送时，由于端口所连接的网络拓扑结构及其网络类型存在的差异，例如由以太网交换端口向FDDI交换端口进行数据发送，因此要求对数据包帧结构、长度进行重组。针对一个数据包由端口A向端口B转发，具体的数据包路由交换步骤如下：
　　
　　　　1）数据包进入端口A，去掉数据包的前导码和物理层源、目的MAC地址，CRC校验码。
　　
　　　　2）三层以上数据通过数据总线D-BUS进入共享内存中的数据包缓存。
　　
　　　　3）共享式缓存取出数据包的目的网络地址，通过D-BUS送CPU进行选路处理。
　　
　　　　4）由CPU在交换式缓存中检索匹配的网络/主机地址，假如检索到，进入第7步。
　　
　　　　5）CPU在路由表中检索匹配的网络/主机地址，得到目的交换端口。
　　
　　　　6）将检索到的信息追加入快速缓存，或者替换高速缓存中的原有数据。
　　
　　　　7）检索到的目的交换端口经D-BUS传回共享内存。
　　
　　　　8）共享内存通过交换技术将数据包发往目的端口，目的端口接到数据包后，重新按照目的网络的类型重写帧，加入相应的第二层地址，重新计算CRC数值。
　　
　　　　简单地说，路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径策略或叫选择最佳路由算法是路由器的要害所在。
　　
　　　　为了完成这项工作，在路由器保存着各种传输路径的相关数据----路由表，供选择路由时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名称等内容。路由表可以是由系统治理员固定设置好的，也可以由系统动态修改；可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。路由器根据路由选择协议（Routing PRotocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。
　　
　　　　三、路由器的分类
　　
　　　　在网络环境中，路由器成功的实现离不开正确的布局和配置，每台路由器都担负着一种特定的职责功能。按这些功能将路由器分为核心层（骨干级）路由器、分发层（企业级）路由器和访问层（接入级）路由器。
　　
　　　　1.骨干级路由器
　　
　　　　骨干级路由器是实现企业级网络互连的要害设备，它数据吞吐量较大，非常重要。对骨干级路由器的基本性能要求是高速度和高可靠性。为了获得高可靠性，网络系统普遍采用诸如热备份、双电源、双数据通路超级等传统冗余技术，从而使得骨干路由器的可靠性一般不成问题。骨干级路由器的主要性能瓶颈是在转发表中查找某个路由所耗的时间过长，为此在骨干级路由器中，常将一些访问频率较高的目的端口放到缓存中，从而达到提高路由查找效率的目的。
　　
　　　　2.企业级路由器
　　
　　　　企业或校园级路由器连接许多终端系统，连接对象较多，但系统相对简单，且数据流量较小。对这类路由器的要求是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连，同时还要求能够支持不同的服务质量。用路由器连接的网络系统因能够将机器分成多个碰撞域，所以可以方便地控制一个网络的大小。此外，路由器还可以支持一定的服务等级，答应将网络分成多个优先级别。当然，路由器的每端口造价要贵些，在使用之前要求用户进行大量的配置工作。因此，企业级路由器的成败就在于是否可提供大量端口且每端口的造价很低，是否轻易配置，是否支持QOS，是否支持广播和组播等多项功能。
　　
　　　　3.接入级路由器
　　
　　　　接入级

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